作者 | 甘曉 程唯珈
唐本忠（中）與學生用聚集誘導發光（AIE）材料檢測化學瓶上留下的指紋。唐本忠課題組供圖2020年春節后，新冠肺炎疫情讓眾多科研人員難返實驗室。3月10日，身在香港的中國科學院院士、香港科技大學教授唐本忠與內陸的同事和合作者仍保持著在線溝通。最近，他領銜的國家自然科學基金基礎科學中心項目“分子聚集發光”，正在開拓新的“處女地”——從聚集誘導發光研究出發建立介觀科學大平臺。20年前，唐本忠帶領團隊在國際上率先提出聚集誘導發光新概念。這項中國人改寫光物理課本的發現，在國際上開辟了一個具有原創性和引領性的科學研究新領域。2018年初，唐本忠獲得2017年度國家自然科學獎一等獎。此前的光物理教科書，提到這樣一種現象：發光分子在稀溶液里可高效發光，但在濃溶液中或聚集狀態下，其發光減弱甚至完全消失。科學家將其稱之為“聚集猝滅發光”效應。這種效應讓發光領域的研究者大為撓頭，因為它很大程度上限制了發光材料的應用范圍。也正是因為這種效應，傳統有機發光材料做成的固態有機發光二極管（OLED）手機或電腦屏幕發光效率相當低，耗電量卻相當高，成為制約相關行業發展的瓶頸。當時，該領域的技術人員和科研人員相信，不斷發展性能優異的先進材料，是突破產業瓶頸的重要策略。科學家采用的常規方法從降低發光材料的濃度入手，防止“聚集猝滅發光”效應發生。他們將發光材料摻雜到基質中，以降低濃度、減弱其聚集程度。但是，隨著使用時間延長，摻雜分子會從混合物中分離，導致發光性能下降。其他的方法，也各有各的問題。一天，長期從事有機高分子材料及其光電功能應用研究的唐本忠課題組里，一名學生像往常一樣做實驗。樣品點在薄層色譜板上，在紫外燈照射下卻沒有像預計的那樣觀察到明顯的熒光。而過了一段時間之后，樣品“濕點”中的溶劑揮發變成了“干點”，再放在紫外燈下竟然發出了十分明亮的熒光。沒人能想到，這個現象即將推開發光材料領域一扇全新的大門。“當時發光材料是全世界的研究熱點。實際上以前就有人觀察到這種‘反常現象’，但是不知道為什么沒有引起人們的注意。”回憶往事，唐本忠告訴《中國科學報》。為了和這個反常現象“杠”到底，唐本忠團隊投入大量時間和精力研究其原理。最終，他們證實，這是因為像平板一樣容易聚集的分子變成了類似螺旋槳一樣的結構，原先分子的屬性發生了改變。變身后的分子“性情大變”，越聚集，越發光。尤其在聚集狀態或固態下發光效果更強，導致消耗的能量大為減少。唐本忠將這種發光現象命名為聚集誘導發光，英文簡稱AIE。“原創科研就像刨一口井，越往下刨泉眼越多。”至此，研究人員“腦洞”大開，打開發光材料領域的“新世界大門”，一系列先進功能材料接踵而至。如今，距離唐本忠提出AIE概念已走過20年的漫漫長路。截至目前，全世界已經有80多個國家和地區超過1500家研究單位的科學家進入這一領域。中國科學家開發了各種不同的AIE分子模型及化合物，在眾多應用領域中取得了重大突破，組成了具有中國原創性和自主知識產權的新材料與新技術體系，并持續領跑該領域研究。有機高分子發光材料取得顛覆性的創新，源自AIE這個全新概念的提出。正如唐本忠在《概念創新是科學探索的圣杯》一文中指出，科學追求的最高境界是推翻“常識”，科學界對“革命性創新工作”的“非友善態度”必須改變。“比如過去的‘聚集猝滅發光’范式就像一個魔咒，框住了大家的思想，讓很多研究者在尋找新型發光材料時不斷碰壁。不是沒發現，而是因為他們懷疑自己是錯的，不敢提出來，或認為不值得報道和深入研究。”唐本忠告訴記者。在他看來，科學研究某種意義上就是“標新立異”，即突破既有的一些條條框框。不過，這種突破不是一蹴而就的，而是一場“漸進誘導革命”。俄國科學家門捷列夫提出元素周期表的故事給研究人員極大啟發。事實上，今天被人們熟知的元素周期表并非由門捷列夫憑空創造。在門捷列夫之前，法國化學家拉瓦錫首次將元素定義為基本物質，道爾頓隨后接力，創立了新的原子理論。緊接著是阿佛加德羅的分子假說，在物質和原子之間引入新的維度。在總結前人觀點的基礎上，門捷列夫按照原子量將元素從輕到重編排成表，發現元素性質隨原子量發生周期性變化的規律。他在周期表上給暫未發現的元素留下空白，留給后人進一步填充。“原始創新并非是讓你去做一個前無古人的工作。石頭里蹦不出孫猴子，進化與革命是一對孿生兄弟，常見的情況是從看似平常的現象和漸進的研究中提煉新問題和尋找新突破，這就是為什么人們說‘研究就是見人皆所見，思人所未思’。”唐本忠說。近年來，已在香港科技大學供職20多年的唐本忠，同時擔任華南理工大學—香港科技大學聯合研究院院長，努力推動香港和內陸的科研交流與融合，也在基礎研究與技術創新兩個方面同時發力。多年來的兩地頻繁奔波，使唐本忠深諳兩地科研的長處，相信吸取雙方的優勢，能夠產生更多的原創。2017年，唐本忠領銜的國家自然科學基金基礎科學中心項目“分子聚集發光”在華南理工大學落地。作為國家自然科學基金資助力度最大的一類項目，基礎科學中心旨在瞄準國際科學前沿，持續10年資助經費有望達到4億元。“國家對科學中心的強力支持是為了鼓勵科學家心無旁騖地創新。”他介紹，中心正從AIE研究向建立介觀科學大平臺方面努力。20年前，為了解釋AIE現象，研究人員經過實驗驗證和理論模擬，提出了“分子內運動受限”（RIM）的機理模型。在不斷認識、理解這一機理的基礎上，如今，他們擴展視野，將注意力從單個分子的微觀層面提升到分子聚集的介觀層面。“介觀世界有無限的空間。”唐本忠強調，研究人員正試圖在介觀這片“處女地”上開疆辟土，匯聚基礎科學研究的合力，力促兩地在工程技術上創新，將科研論文變成“觸手可及”的產品。AIE已經顯示出巨大的應用潛力。例如，獨特的點亮型AIE熒光材料不僅可制成超薄耐摔的柔性顯示屏，還可用于細胞成像、腫瘤甄別、生物過程跟蹤和成像指導治療等。“AIE熒光探針可以把癌細胞和正常細胞分開，直接用于細胞的光激活熒光成像，并可同時產生活性氧殺死腫瘤組織。它既可以做診斷，也可以做治療，還可追蹤癌細胞的擴散路徑。”唐本忠介紹說。2018年7月，在有關廣州經濟發展的一場協商座談會上，唐本忠在報告中系統介紹了AIE在基礎科研領域取得的成果和在產業轉化方面的潛力。隨后，唐本忠團隊受邀，計劃在廣州實現AIE產業化。由廣州市科技局、廣州市開發區及華南理工大學三方共建的“廣東省大灣區華南理工大學聚集誘導發光高等研究院”正在著手籌建。“我們希望把這個研究院作為基礎研究和技術創新的平臺，打造成中國的‘貝爾實驗室’。”唐本忠期待。科學技術蓬勃發展的今天，應當看到，基礎研究與技術創新不總是線性的上下游關系。很多時候，基礎研究催生技術創新，技術創新過程又能夠凝練出新的科學問題，反過來促進基礎研究，形成“反哺”關系。最終的結果是，二者相輔相成，形成螺旋式上升的認知水平和生產力，這正是貝爾實驗室百年來的成功之道。《中國科學報》 （2020-03-25 第1版 要聞）
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